JP3448738B2 - 回転体トルク計測装置およびトルク計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転体のトルクを測
定するトルク計測装置に関するもので、詳しくは、歪ゲ
ージを用いて回転体のトルク量を測定するために、回転
体側と固定側での電力や測定信号の送受を非接触で行う
回転体トルク計測装置とトルク計測方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、回転体のトルク測定には、回転軸
と回転軸により駆動される負荷軸との間に連結した円筒
状起歪体にホイートストンブリッジ回路を構成するよう
に結線した歪ゲージを貼着し、これにより、起歪体に発
生するねじれ量を回転体のトルク量とし、電気量に変換
して、これを固定側に伝送する装置が用いられている。
この測定装置で重要な点は、固定側から回転する回転体
側の回路に必要な電力を伝送する方法と回転体側のトル
ク量を電気量に変換した電気信号を固定側に伝送する方
法で、従来の機械的接触方法では各種の問題が指摘され
ていた。

【０００３】上記の問題を解決するため、回転体での電
気信号を光信号に変換して、固定側に信号伝送する方法
「回転体の物理量―電気量変換器の検出信号電送装置」
が提案されている。（特開平6‐３０１８８１）以下、
従来の「回転体の物理量―電気量変換器の検出信号電送
装置」について、下記の測定機構部を図７に基づいて説
明する。

【０００４】このうち、測定機構部は、トルク伝達部、
フォトカップリング部、トルク検出部、信号処理回路
部、受電部の5つの主要部に分類されるが、本発明に関
与する主要な部分について説明する。

【０００５】図７において、トルク伝達部は、連結機能
に柔軟性をもたせた、いわゆるフレキシブルカップリン
グ機構として構成されている。その主要機構部は起歪体
７０1を中心として、左右対称に形成されている。

【０００６】フォトカップリング部は測定された信号を
回転体側から固定側へ伝送する機構部である。上述の起
歪体７０１へ取付けられた発光側リング７１４と、この
発光側リング７１４に取付けられた複数の電気―光変換
素子である発光ダイオード７２１とにより回転体側の信
号送信部が構成されている。

【０００７】また、受光側リング７１３と、この受光側
リング７１３に取付けられた複数の光―電気変換素子で
あるフォトダイオード７２０とにより、固定側の信号受
信部がそれぞれ構成されている。上記信号送信部の発光
リング７１４は、そのリング形状の内周側が起歪体７０
１へ固定され、外周側は、リングの横断面形状が略お腕
型となるように形成され、お腕型形状の底部には発光ダ
イオード７２１が取付けられている。

【０００８】一方信号受信部のリング７１３は、内周側
が略お腕型となるように形成されその底部にフォトダイ
オー７２０が取付けられている。これらの２種の受光側
リング７１３と発光側リング７１４は、お腕型形状の開
口部が対向し且つ近接して配設されている。フォトダイ
オード７２０は、受光リング７１３の内周において８個
取り付けられている。また、発光ダイオード７２１はリ
ング全周に５個取付けられていて、同時に点灯駆動させ
る。

【０００９】起歪体７０１は全体としては大径の筒状体
で、起歪体部７０１ａは軸方向の中間部が薄肉とされ、
更にこの薄肉部であり、筒状体の軸芯に対し対称の側面
の２カ所が表面部を平面状に削られて平坦部が形成され
て、そこに歪みゲージ７２３が貼着されていて、貼着さ
れた２枚（一対）の歪みゲージ７２３を対辺とする、ホ
イートストンブリッジ回路７２３に組まれる。

【００１０】そして、信号処理回路部７２２は、トルク
検出部としての起歪体部７０１ａに貼着された歪ゲージ
７２３により検出した検出信号を、適宜、増幅・波形整
形・信号処理を施し、処理後の信号を発光ダイオード７
２１とフォトダイオード７２０からなるフォトカツプリ
ング部へ出力する回路等をもって構成される。

【００１１】受電部はいわゆる非接触型のロータリート
ランスにて構成される。固定側の送電リング７１１およ
び回転体側の受電側リング７１２が対向した状態で近接
配置されている。この両リング７１１、７１２の対向す
る側面部に，それぞれコの字型の一対のフェライトコア
７１５ａ、７１５ｂが開口部を向い合わせて取付けられ
ている。この各々のフェライトコア７１５ａ、７１５ｂ
のコの字空間内にリング状に送電側コイル７１６および
受電側コイル７１７が巻回された状態で配設されてい
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の回転体
での電気信号を光信号に変換して、固定側に信号伝送す
る方法においては、回転体側に複数の電気―光変換素子
を配置するので、回転体側の消費電力が大きくなり、固
定側から回転体側に電力送電するロータリートランスの
構造が大きくなるという問題があった。そして、電力を
伝送するロータリートランスと、トルクの信号を回転体
側から固定側に伝送する光変換部分が別構造になってい
るので、装置が大きくなり、また各部の位置あわせが難
しいという問題点があった。

【００１３】また、受光リングは等間隔で８個取り付け
られていて、発光ダイオードはリング全周を等間隔で５
個取付けるなど、製造上の難しさと、素子の特性のばら
つきの少なく、光の伝達が均一化されるようにそれぞれ
指向特性の広い（例えば±100度程度）ものを選別して
用いる必要がある等の問題があった。

【００１４】更に、５個の発光ダイオードを同時に点灯
駆動させなければ、発光領域は約４５度の円弧帯状とな
らないので、駆動回路の制御が複雑になり、また、いず
れか一つ又は複数個の発光ダイオード又は受光ダイオー
ドが故障した場合などはトルクの検出ができない箇所が
生じ、不具合が生じるという問題もある。

【００１５】更にまた、起歪体は全体としては大径の筒
状体であるが、トルク検出部である起歪体部は軸方向の
中間部が薄肉とされ、更にこの薄肉部であり、筒状体の
軸芯に対し対称の側面の２カ所が表面部を平面状に削ら
れて平坦部が形成されているので、かかる薄肉部に応力
集中が生じ、薄肉部の強度が低下する問題もあった。

【００１６】そこで、本発明は固定側から高速回転する
回転体側に効率よく電力を送電する構造と、回転体側で
検出したトルク量を電気量に変換した信号をS／N比を悪
化させることなく、固定側に伝送する回路を具備した装
置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、回転トルクを計測するトルク計測装置を
提供すると共に、このトルク計測装置を用いて回転体の
トルクを計測する方法を得ることを目的とする。

【００１８】本発明は上記目的を達成するために、請求
項１記載のトルク計測装置は、回転体の両端に駆動側フ
ランジと従動側フランジを形成し、両フランジの間に、
所定の肉厚及び径を有し、その外壁が鼓型の形状に溝加
工した底部を有する中空円筒部を設け、該中空円筒部の
前記溝の底部に対応する円筒部の内周に前記中空円筒部
における鼓型形状の溝の頂点に集中して作用するトルク
に応じた物理量を電気信号に変換するトルク検出手段を
配設し、前記従動側フランジの外周円上に対峙する部分
に固定部を設け、前記従動側フランジの外周円と前記固
定部との間に半径方向に対峙する一組のロータリートラ
ンスを設け、前記ロータリートランスには従動側の第一
の開口部と固定部側の第二の開口部が対峙するように形
成し、前記第一の開口部内にはトルク検出手段の出力に
応じて発光する、少なくとも一個の電気―光変換素子か
らなる光信号変換手段を設けるとともに、前記第二の開
口部内には、前記光信号変換手段からの光を側面から受
光するように設けた光ファイバーからなる光伝送手段を
設けるとともに、前記光伝送手段から伝送された光を検
出する光検出手段を具備したことを特徴とする。

【００１９】請求項２記載のトルク計測装置は、光検出
手段は、前記光ファイバーの少なくとも1端面に設けた
光―電気変換素子よりなり、従動側フランジに対峙して
設けた従動側ロータリートランスと対をなす固定側ロー
タリートランスの開口部内に、前記光信号変換手段から
の光を受光するように設けた光ファイバーからなる光伝
送手段と共に設けたことを特徴とする。

【００２０】

【００２１】請求項３記載のトルク計測装置は、回転体
側ロータリートランスの開口部内に設けた光信号変換手
段と、それに対峙する固定側ロータリートランスの開口
部内に設けた光伝送手段と光検出手段は、回転体側およ
び固定側のロータリートランスが対峙する面を各々超え
ないように配設したことを特徴とする。

【００２２】請求項４記載のトルク計測装置は、固定側
ロータリートランスの開口部内に設けた光伝送手段と光
検出手段は可視光遮断フィルタで覆われていることを特
徴とする。

【００２３】請求項５記載のトルク計測装置は、光伝送
手段は、従動側フランジに対峙して設けた従動側ロータ
リートランスと対をなす固定側のロータリートランスの
開口部内に少なくとも一周に亘って内蔵されていること
を特徴とする。

【００２４】請求項６記載のトルク計測方法は、駆動側
フランジ部と従動側フランジ部の間の外壁を鼓型の形状
に溝加工した底部を有する中空円筒部を設け、該中空円
筒部の前記溝の底部に対応する円筒部の内周の円周上に
前記中空円筒部における鼓型形状の溝の頂点に集中して
作用するトルクに応じた物理量を電気信号に変換するト
ルク検出手段を装備し、前記従動側フランジの外周円上
に対峙する部分に固定部を設け、前記従動側フランジの
外周円と前記固定部との間に半径方向に対峙する一組の
ロータリートランスを設け、前記ロータリートランスに
は従動側の第一の開口部と固定部側の第二の開口部が対
峙するように形成し、前記トルク検出手段から得た電気
信号を電圧の大きさに応じて周波数の高低に変換する電
圧周波数変換器により周波数変調されて発光する、少な
くとも一個の電気―光変換素子からなる電気―光信号変
換手段で光信号に変換して固定側に伝送し、回転体側か
ら伝送された光信号を前記従動側フランジに対峙して設
けられた固定側のロータリートランスの開口部に設けら
れた光ファイバーの側面から入射して電気信号に変換し
た後に、所定の波形整形を施してから周波数変調されて
いる信号を復調して、所定の回路でアナログ信号として
取り出すことでトルクを測定する方法であることを特徴
とする。

【００２５】本発明は、回転体に固着するための駆動側
フランジと従動側フランジを両端に有し、両フランジの
間に設けた所定の肉厚及び径を有する外壁が鼓型の形状
を持つ中空円筒部の内周に歪ゲージを用いたセンサーを
配置する。前記センサーは中空円筒部に作用するトルク
に応じた物理量を電気信号に変換する。そして、この電
気信号は更に光信号に変換して、従動側フランジの外周
に設けたロータリートランスの開口部に設けた、トルク
検出手段の出力に応じて発光する、少なくとも一個の電
気―光変換素子からなる光信号変換手段で、前記従動側
フランジに対峙して対をなす固定側のロータリートラン
スの開口部に設けた光ファイバーの側面に入射する。光
ファイバーの側面から入射した光は、該端面に到達した
光を受光する光信号検出手段で電気信号に変換され、ト
ルクの測定値を得るように作用する。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明によるトルク計測装置の実
施例を図面で説明する。図１（ａ）は本発明の断面図で
以下のように構成されている。即ち、駆動側フランジ部
１０１と従動側フランジ部１０２の間に所定の肉厚及び
径を有する中空円筒部である起歪体部１００が設けられ
ている。駆動側フランジ部１０１の外方端面には、例え
ば、自動車の車輪により回転させられるシャーシダイナ
モの測定ロ―ラとダイナモメータやブレーキ機構等の負
荷との間の動力伝達系中に連結される駆動側連結部材が
１０３のネジ穴を用いて結合される。そして、従動側フ
ランジ部１０２は、その外周に１対のロータリートラン
ス１１１があり、その磁芯部１１２は開口部を持ち、該
開口部の内部に電気―光変換素子１１３（光信号変換手
段）が後述するように、少なくとも一個以上設置してあ
る。従動側フランジ部１０２は駆動力伝達系の負荷部材
が１０４のネジ穴を用いて結合されている。

【００２７】前記従動側フランジ部１０２に対峙して開
口部を有する固定側のロータリートランスの磁心部１１
４が空隙をおいて従動側フランジ部１０２と対峙した位
置に環状体をなして近接して設けられている。後述する
光ファイバー１１５（光伝送手段）が、前記固定側のロ
ータリートランスの磁心部１１４に設けた開口部１１９
（図２に示す）には、少なくとも一周に亘って設けられ
て、また、後述するように、（図２に示す）開口部１１
９を塞ぐように可視光遮断フィルタ１１８を設けてあ
る。図１（ｂ）は本発明の正面図で、光ファイバー１１
５（光伝送手段）が、前記固定側のロータリートランス
の磁心部１１４に設けた開口部１１９に、少なくとも一
周に亘って設けられている様子を示している。

【００２８】前記したように、ロータリートランス１１
１は、固定側と回転体側との光信号の送受する１１３、
１１５の部分と、固定側から回転体側に電力を伝送する
ための１１６、１１７の部分よりなっている。

【００２９】固定側のロータリートランスにある一次巻
線１１６は、回転体側にある電子回路に用いる電力を送
電するための一次巻線を、回転体側のロータリートラン
スにある巻線１１７は一次側巻線１１６からの磁束をう
ける二次側巻線を示している。

【００３０】本発明の駆動側フランジ部１０１と従動側
フランジ部１０２は起歪体の構成要素で、高捩り剛性を
得るため、駆動側フランジ部１０１と従動側フランジ部
１０２の間の所定の肉厚及び径を有する中空円筒部であ
る起歪体部１００に比し、外径、肉厚を大きくしてい
る。駆動側フランジ部と従動側フランジ部の間の中空円
筒部である起歪体部１００は、駆動側フランジ部１０１
と従動側フランジ部１０２の間の所定の肉厚及び径を有
する中空円筒部である底部を、両フランジ部と円筒状起
歪体部１００との接合部での応力集中を避けるために、
回避切削加工または研削加工により鼓型の形状の溝に加
工してある。図２からも解るように、駆動側フランジ部
１０１と鼓型の形状の溝による最肉薄部の間、及び従動
側フランジ部１０２と鼓型の形状の溝による最肉薄部の
間は徐々に肉厚が薄くなり、最肉薄部である底部は、鼓
型の形状の線となる。この鼓型の形状は円筒の径、素
材、長さ、トルクの大きさ、などに応じて、円、楕円、
双曲線、放物線などを選んで決定する。この鼓型の形状
の溝の底部に対応する円筒部の内周の円周上に、歪ゲー
ジ１０６を後述するように貼着する。

【００３１】鼓型の形状の溝に加工したことにより、鼓
型の形状の溝の頂点に集中する応力増分を見越して起歪
体部１００の板厚を設定することにより、従来の形状で
ある平坦部を有する薄肉部より板厚を厚くすることが出
来る。また、前述のようにねじれや軸の曲げ撓みも小さ
くなることにより高い測定精度が得られると共に、急激
なトルク変化に高い応答性をもつための高い捩り剛性を
もつことが出来る。又、起歪体部１００の板厚は鼓型の
形状の溝中心から離れるに従い厚くなるので、歪検出感
度が落ちるが、落ちる分も考慮した形で板厚設計をする
ことで所定の歪量を検出することが可能である。

【００３２】高速回転により生ずる風力や遠心力による
貼着歪ゲージヘの弊害を緩和するために、従動側フラン
ジの開口部の底部１０８には、後述する電子回路を実装
する回路基板１０９が取付けてある。

【００３３】高速回転による風力、遠心力の弊害、貼着
した歪ゲージが、外部からの水分、塵挨などで劣化する
ことを回避するために、円筒状起歪体部１００の開口部
１０７には、蓋１１０が設けてある。

【００３４】図２は本発明の断面図で、図１（ａ）の一
部を拡大した図である。図２（ａ）および、図２（ｂ）
はそれぞれ異なる実施例を示している。図２（ａ）は固
定側の一次側巻線１１６と回転体側の二次側巻線１１７
は共にロータリートランスの中で２ヶ所に分けて巻回さ
れており、図２（ｂ）は、 固定側の一次側巻線１１６
と回転体側の二次側巻線１１７は共にロータリートラン
スの中でlヵ所に巻線してある以外は（ａ）、（ｂ）と
もに同一なので、本発明の詳細を図２（ａ）により説明
する。なお、図２（ｂ）では、固定側の一次側巻線１１
６と回転体側の二次側巻線１１７は共にロータリートラ
ンスの中で中空円筒に近い側のlヵ所に巻線してある
が、中空円筒から離れた側のlヵ所に巻回しても良いこ
とはいうまでもない。

【００３５】図２で示したロータリートランス１１１
は、固定側、回転体側共に、磁性材で構成されたロータ
リートランスを示し、かつ光信号伝送と電力伝送の諸要
素を一緒に装備したものを示したが、電力伝送するロー
タリートランスと光信号を伝送するための装置とを別筐
体、別材質で構成し、両者を合体した構造でも良い。

【００３６】例えば、電力伝送では、固定側の外形寸
法、構造の簡略化をする手段として、磁性体を用いない
で、伝送する周波数を高い周波数として、固定側では磁
性体で仲介しない電磁結合で送電しても良い。

【００３７】または、図２の磁芯部１１４を単に、光フ
ァイバーを囲むための開口部と可視光遮断フィルタだけ
の非磁性体金属で構成した環状体の構造とし、これを1
ターンの一次側巻線として利用し、回転体側の二次側巻
線と結合する電力伝送トランスとする電力伝送方法で、
一次巻線を省略する構造でもよい。

【００３８】回転体側のロータリートランスは図２
（ａ）に示すように、従動側フランジの外周にあり、磁
芯部１１２は開口部を持ち、該開口部の内部には、前記
光ファイバー１１５（光伝送手段）の特性にあわせて、
例えば６６０ｎｍ前後で光発光効率がピーク値を有する
赤色発光ダイオードのような電気―光変換素子１１３
（光信号変換手段）が後述するように、少なくとも一個
以上、設けられている。

【００３９】電気―光変換素子１１３と対峙する固定側
ロータリートランスの環状体も磁芯部１１４に開口部１
１９を有し、その断面が、例えば曲面を持つように加工
して、開口部１１９の内部に後述する光ファイバー１１
５を設けてある。光ファイバーの端面には後述する光―
電気変換素子１３１を配設し、更に、周囲から光ファイ
バー１１５に混入する可視光を遮断することにより、信
号対雑音比（S／N比）の低下を防ぐために、開口部１１
９を塞ぐように可視光遮断フィルタ１１８を設けてあ
る。フィルタ１１８は、電気―光変換素子１１３、光フ
ァイバー１１５、後述する光―電気変換素子１３１（光
検出手段）の感度領域以外、例えば６００ｎｍ以下の波
長を遮断する特性を有する。

【００４０】そして、開口部１１９を曲面状の溝に加工
したことにより、後述する電気―光変換素子１１３から
出る光のうち、光ファイバーに直接入射しない光も、曲
面で反射して光ファイバー１１５の周囲から有効に入射
するので、回転体側と固定側との取付位置合わせの精度
を落としても、また、回転体側と固定側が軸方向に変位
しても、トルクの測定精度に与える影響は軽微であると
いう特徴がある。

【００４１】ここでいう光ファイバーとは、たとえば、
光色素を含有するノルボルネン系樹脂で形成されたコア
と該コアの外側に設けた前記コアより低い屈折率をもつ
クランドとを含む光ファイバーで、クランドの外側に透
明、ないし半透明で耐腐食性及び耐熱性を有する保護層
が設けられたものである。この光ファイバーは側面から
光を照射すると、コア中を伝達する性質をもっていて、
波長が６５０ｎｍ前後で光伝送効率がピーク値を持つも
のが実用化されている。

【００４２】図３は起歪体部１００の内周に貼着する歪
ゲージ１０６の位置を示す図で、図３（ａ）は中空円筒
を断面方向から見た図、図３（ｂ）は中空円筒を側面か
ら見た図である。起歪体部１００の底部の頂点である最
薄肉部は鼓型の形状の線となる。この鼓型の形状の底部
の頂点である最薄肉部に対応する円筒部の内周の円周上
に、歪ゲージ１０６を等間隔に貼着する。即ち、前記内
周面の円周上の軸中心に対して任意の位置Ａ１に対向し
た位置Ａ３、Ａ１に隣り合う位置Ｂ１に対向した位置Ｂ
３、および、Ａ１の位置から中心軸に対して90度回転し
た位置Ａ２に対向した位置Ａ４、Ａ２に隣り合う位置Ｂ
２に対向した位置Ｂ４の、計４箇所にＡ、Ｂ２個1組の
歪ゲージ4組、計８個を貼着する。歪ゲージはブチルゴ
ムでコーティングして防湿処理をした後、シリコンにて
ボンディング処理する。

【００４３】図４は貼着した歪ゲージで構成したホイー
トストンブリッジ回路６１８とゲージの関係を示す図
で、起歪体部１００に加わる剪断力で圧縮歪となる歪ゲ
ージと、引張り歪となる歪ゲージに区別して、両者の歪
ゲージの抵抗変化が出力で相加するようにホイートスト
ンブリッジ回路６１８を形成している。

【００４４】即ち、２枚１組のゲージＡとＢはそれぞ
れ、ねじりにより発生する、引張り歪と圧縮歪を検出す
るために、４５度方向に傾いたパターンからなってい
て、反時計回りのトルクＴ１ではＧＡｎ（ｎ＝１〜４）
が引張り歪を受け、ＧＢｎ（ｎ＝１〜４）が圧縮歪を受
け、時計回りのトルクＴ２ではＧＢｎ（ｎ＝１〜４）が
引張り歪を受け、ＧＡｎ（ｎ＝１〜４）が、圧縮歪を受
けるように配設してある。

【００４５】かかるゲージは同じ歪を受けるゲージ同士
を対辺としてホイートストンブリッジ回路６１８として
構成する。即ち、位置Ａ１と、Ａ１に対向した位置Ａ３
にそれぞれ貼着したゲージＧＡ１とＧＡ３、位置Ａ１に
隣り合う位置Ｂ１と、Ｂ１に対向した位置Ｂ３にそれぞ
れ貼着したゲージＧＢ１とＧＢ３、および、位置Ａ１か
ら中心軸に対して90度回転した位置Ａ２と、Ａ２に対向
した位置Ａ４に貼着したゲージＧＡ２とＧＡ４、Ａ２に
隣り合う位置Ｂ２と、Ｂ２に対向した位置Ｂ４に貼着し
たゲージＧＢ１とＧＢ３において、ＧＡ１とＧＡ３を直
列に接続して一辺となし、ＧＡ２とＧＡ４を直列に接続
して対辺とする。同様にしてＧＢ１とＧＢ３を直列に接
続して一辺となし、ＧＢ２とＧＢ４を直列に接続してそ
の対辺としてホイートストンブリッジ回路６１８を構成
する。

【００４６】ＧＡ１とＧＢ２を接続して、また、ＧＢ１
とＧＡ２を接続して各接続点に、後述するように、図６
で示す歪ゲージ用電源回路６１７の電力を印加してホイ
ートストンブリッジ回路６１８の電源とする。同様にし
てＧＡ３とＧＢ３を接続して、また、ＧＢ４とＧＡ４を
接続して各接続点に図６で示す増幅器６１９の入力端子
を接続してホイートストンブリッジ回路６１８の出力と
する。

【００４７】図５は光ファイバーと、光―電気変換素子
１３１の取り付け位置の関係を説明するための図であ
る。図５（a）に示すように、光ファイバー１１５の端
部には、例えば、可視光線の波長領域以外、例えば光変
換効率のピーク波長９００ｎｍ、受光波長範囲４２０ｎ
ｍ〜１１００ｎｍ程度の波長領域に感度のある、フォト
トランジスタ、あるいはフォトダイオードのような光―
電気変換素子１３１が近接して配設してある。

【００４８】光―電気変換素子１３１と光ファイバー１
１５との接続点において外部から入る可視光による雑音
を防ぐために、光―電気変換素子１３１とファイバー１
１５は共に固定側のロータリートランスの磁心部１１４
に設けた開口部１１９に設けられている。

【００４９】電気―光変換素子１１３からの信号光は、
前記光ファイバー１１５の外周側面から入射した後に、
コア部を伝達してフォトダイオードのような光―電気変
換素子１３１で光信号を電気信号に変換する。

【００５０】光―電気変換素子１３１は光ファイバー１
１５の片方の端部、もしくは図５に示すように、感度を
増すために両端に設けて良いことはいうまでもない。そ
して、後述する回転体側と固定側の回路構成を示す図６
においてＡＧＣ回路６２５は１または２個の光―電気変
換素子１３１の数に対応して動作するようにすることも
いうまでもない。

【００５１】更にまた、電気―光変換素子１１３を、回
転体側の一周上に複数個設けて感度を向上しても良い。
この場合、電気―光変換素子１１３の位置は回転体側の
一周上で特に指定されるものではないが、製造の簡便
さ、回転時のバランスなどを考慮して一周上に均一に配
置しても良い。

【００５２】光ファイバー１１５を固定側環状体の開口
部内に1ターンのみ配置した場合は、図５（a）のように
光―電気変換素子１３１を設けると、電気―光変換素子
の光信号を受光できない部分（不受光部分）１５０が存
在せざるを得ない。そこで、以下のようにして不受光部
分１５０を除き、かつ前記電気―光変換素子１１３から
の信号光の受光部分を増加させる。

【００５３】即ち、図５（b）に示すように光信号を受
光できない部分１５０で光ファイバーを交差させて、不
受光部分を除去したり、図５（c）に示すように、開口
部１１９内に光ファイバー１１５を複数回巻回して配設
置し、不受光部分を除去するとともに、電気―光変換素
子からの光信号受光効率を増加する構造とする。

【００５４】光―電気変換素子１３１を固定側のロータ
リートランスの磁心部１１４に設けた開口部１１９に光
ファイバーと共に配設しない構造としても良いことはい
うまでもない。その場合には、光―電気変換素子１３１
との接合部近辺で周囲の可視光に晒される部分は、光フ
ァイバーおよび、電気―光変換素子に光信号以外の光が
吸収されないように、例えば遮光テープ、不透明のスリ
ーブなどで覆うなどして周囲の可視光を遮蔽する構造と
する。

【００５５】次に、回転体側に貼着した歪ゲージＧＡｎ
とＧＢｎ（ｎ＝１〜４）がトルク変化により抵抗変化を
起こすと、歪ゲージで構成したホイートストンブリッジ
回路６１８の出力電圧が変化する。この出力電圧変化を
どのように回転体側の電気―光変換素子１１３からの光
信号に変換するかを図６で説明する。

【００５６】図６は回転体側と固定側の回路構成をブロ
ック図で示したものである。図６で６１８は歪ゲージＧ
ＡｎとＧＢｎ（ｎ＝１〜４）によるホイートストンブリ
ッジ回路６１８で、該ホイートストンブリッジ回路６１
８の電源は、前記した図２におけるロータリートランス
の二次巻線１１７、すなわち図６の回転体側にある二次
巻線１１７に誘起した交流電圧を整流、平滑する回路６
１５により、リップル電圧が少ない直流電源とし、更に
安定化電源回路６１６により電源電圧の変動を極力少な
くし、ホイートストンブリッジ回路６１８に必要な電圧
とした歪ゲージ用電源回路６１７から得る。

【００５７】ロータリートランスの二次巻線１１７には
対向したロータリートランスの一次巻線１１６から電力
が伝達され、一次巻線１１６には、電源６１１を電源と
した発振回路６１２で、周波数15〜20KＨz程度の交流電
圧を発振させて電力を印加する。

【００５８】ホイートストンブリッジ回路６１８の出力
は増幅器６１９で増幅され、フィルタ回路６２０によっ
て余分な周波数成分の雑音を除去した後、以降に用いる
発光ダイオード１１３、光ファイバー１１５、および光
―電気変換素子のフォトダイオード１３１の非線形の影
響を除くために、電圧の大きさを周波数の高低に変換す
る電圧―周波数変換器（V／F変換）６２１により、周波
数変調された信号に変換する。

【００５９】固定側は前記したように、実質的に、軸を
中心として回転する回転体側の電気―光変換素子１１３
の外周を取り囲んだように光ファイバー１１５が配置さ
れている。従って、電気―光変換素子１１３の発する光
信号は常に、光ファイバー１１５が受光し、第５図で示
すような端面にある光―電気変換素子のフォトダイオー
ド１３１で周波数変調された光信号を電気信号に変換す
る。

【００６０】この受信した電気信号は振幅が小さいの
で、ＡＧＣ回路（Automatic Gain Control Circuit）６
２５で振幅変動を調整すると共に、振幅をロジックレベ
ルまで、増幅する。増幅した信号は波形整形回路６２６
を通して、周波数―電圧変換（F／V変換）器６２７によ
り、周波数変化を電圧変化に変換した後に、更に不要な
ノイズ成分をローパスフィルタ回路６２８で取り除く。
ローパスフィルタ回路６２８は例えば、公知の二次、ま
たは三次のバターワースフィルタ等を用いる。そしてロ
ーパスフィルタ回路６２８は出力バッファー回路６２９
に接続され、出力端子ＯＳにトルクの測定値が得られ
る。

【００６１】以上のような構造の回転体のトルク計測装
置を使用して、以下のようにトルクを測定値する。即
ち、駆動側フランジ部１０１の外方端面には、例えば、
自動車の車輪により回転させられるシャーシダイナモの
測定ロ―ラとダイナモメータやブレーキ機構等の負荷と
の間の動力伝達系中に連結される駆動側連結部材が１０
３のネジ穴を用いて結合される。１０２は従動側フラン
ジ部で駆動力伝達系の負荷部材が１０４のネジ穴を用い
て、結合される。両フランジの間に所定の肉厚及び径を
有する中空円筒部の内周に歪ゲージ６１８を用いたセン
サーを配置する。前記センサーは中空円筒部に作用する
トルクに応じた物理量を電気信号に変換する。

【００６２】そして、この電気信号を電圧―周波数変換
器６２１で周波数変調してから光信号に変換して、従動
側フランジの外周に設けたロータリートランスの開口部
に設けた、トルク検出手段の出力に応じて発光する、少
なくとも一個の電気―光変換素子からなる光信号変換手
段１１３で固定側に伝送する。回転体側から伝送された
光信号は、前記従動側フランジに対峙するロータリート
ランスの開口部に設けた、光ファイバー１１５の側面に
入射する。光ファイバーの側面から入射した光は、ファ
イバーの端面に伝達される。該端面に到達した光を受光
する光信号検出手段１３１は、光ファイバー端面に到達
した光を電気信号に変換する。その後、波形整形回路６
２６で波形整形を施してから周波数―電圧変換器６２７
で周波数変調されている信号をアナログ電圧に復調し
て、ローパスフィルタ回路６２８、出力バッファー回路
６２９を経てからアナログ信号としてトルクを測定す
る。

【００６３】

【発明の効果】請求項１記載のトルク計測装置発明で
は、回転体の両端に駆動側フランジと従動側フランジを
形成し、両フランジの間に、所定の肉厚及び径を有し、
その外壁が鼓型の形状に溝加工した底部を有する中空円
筒部を設け、該中空円筒部の前記溝の底部に対応する円
筒部の内周に前記中空円筒部における鼓型形状の溝の頂
点に集中して作用するトルクに応じた物理量を電気信号
に変換するトルク検出手段を配設し、前記従動側フラン
ジの外周円上に対峙する部分に固定部を設け、前記従動
側フランジの外周円と前記固定部との間に半径方向に対
峙する一組のロータリートランスを設け、前記ロータリ
ートランスには従動側の第一の開口部と固定部側の第二
の開口部が対峙するように形成し、前記第一の開口部内
にはトルク検出手段の出力に応じて発光する、少なくと
も一個の電気―光変換素子からなる光信号変換手段を設
けるとともに、前記第二の開口部内には、前記光信号変
換手段からの光を側面から受光するように設けた光ファ
イバーからなる光伝送手段を設けるとともに、前記光伝
送手段から伝送された光を検出する光検出手段を具備し
たことで、薄肉部に応力集中が生ぜず、薄肉部の強度が
低下する事がなく、急激なトルク変化に高い応答性をも
つための高い捩り剛性をもつロータリートランスの構造
小型化する事が出来、また、変換素子の数を減少できる
ので、固定側、回転体側のいずれの消費電力も削減でき
るうえ、平均故障時間を大幅に延ばせ、信頼性の向上が
計れる。

【００６４】請求項２記載のトルク計測装置は、光検出
手段を、前記光ファイバーの少なくとも1端面に設けた
ことで、部品点数を大幅に減少できる効果がある。更に
光検出手段は、前記従動側フランジに対峙して設けた従
動側ロータリートランスと対をなす固定側ロータリート
ランスの開口部内に、前記光信号変換手段からの光を受
光するように設けた光ファイバーからなる光伝送手段と
共に設けたことで、光伝送手段と光検出手段の接続点近
くから漏れて入る可視光を取り除くことができる。

【００６５】

【００６６】請求項３記載のトルク計測装置は、回転体
側ロータリートランスの開口部内に設けた光信号変換手
段と、それに対峙する固定側ロータリートランスの開口
部内に設けた光伝送手段と光検出手段は、回転体側およ
び固定側のロータリートランスが対峙する面を各々超え
ないように配設したことでロータリートランスの効率を
低減することなく、効率の良い電力の授受ができる。

【００６７】請求項４記載のトルク計測装置は、固定側
ロータリートランスの開口部内に設けた光伝送手段と光
検出手段は可視光遮断フィルタで覆うことで高いＳ／Ｎ
比を得ることができる。

【００６８】請求項５記載のトルク計測装置は、光伝送
手段は、従動側フランジに対峙して設けた従動側ロータ
リートランスと対をなす固定側のロータリートランスの
開口部内に少なくとも一周に亘って内蔵したことで、回
転体の位置に無関係に、どこでもトルクの検出ができ
る。

【００６９】請求項６記載のトルク計測方法は、駆動側
フランジ部と従動側フランジ部の間の外壁を鼓型の形状
に溝加工した底部を有する中空円筒部を設け、該中空円
筒部の前記溝の底部に対応する円筒部の内周の円周上に
前記中空円筒部における鼓型形状の溝の頂点に集中して
作用するトルクに応じた物理量を電気信号に変換するト
ルク検出手段を装備し、前記従動側フランジの外周円上
に対峙する部分に固定部を設け、前記従動側フランジの
外周円と前記固定部との間に半径方向に対峙する一組の
ロータリートランスを設け、前記ロータリートランスに
は従動側の第一の開口部と固定部側の第二の開口部が対
峙するように形成し、前記トルク検出手段から得た電気
信号を電圧の大きさに応じて周波数の高低に変換する電
圧周波数変換器により周波数変調されて発光する、少な
くとも一個の電気―光変換素子からなる電気―光信号変
換手段で光信号に変換して固定側に伝送し、回転体側か
ら伝送された光信号を前記従動側フランジに対峙して設
けられた固定側のロータリートランスの開口部に設けら
れた光ファイバーの側面から入射して電気信号に変換し
た後に、所定の波形整形を施してから周波数変調されて
いる信号を復調して、所定の回路でアナログ信号として
取り出すことで、固定側から高速回転する回転体側に効
率よく電力を送電する構造と、回転体側で検出したトル
ク量を、電気量に変換した信号をS／N比を悪化させるこ
となくトルクを測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のトルク測定器の正面図と、回転体側と
固定側の側断面図である。

【図２】本発明の回転体側と固定側の側断面図の拡大図
である。

【図３】円筒内部に貼着する歪ゲージの位置を示す図で
ある。

【図４】円筒内部に貼着した歪ゲージとホイートストン
ブリッジ回路の各辺の関係を示す図である。

【図５】光ファイバーと、光―電気変換素子の取り付け
位置の関係を説明するための図である。

【図６】本発明の回転体側と固定側の回路構成をブロッ
ク図で示したものである。

【図７】従来の「回転体の物理量―電気量変換器の検出
信号電送装置」の断面図の一例である。

【符号の説明】

１０１ 駆動側フランジ部 １０２ 従動側フランジ部 １０６ 歪ゲージ １１３ 電気―光変換素子 １１５ 光ファイバー １１８ 可視光遮断フィルタ １３１ 光―電気変換素子 ６１８ ホイートストンブリッジ回路 ７２０ フォトダイオード ７２１ 発光ダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 3/10 311 G08C 23/04

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転体の両端に駆動側フランジと従動側フ
   ランジを形成し、両フランジの間に、所定の肉厚及び径
   を有し、その外壁が鼓型の形状に溝加工した底部を有す
   る中空円筒部を設け、該中空円筒部の前記溝の底部に対
   応する円筒部の内周に前記中空円筒部における鼓型形状
   の溝の頂点に集中して作用するトルクに応じた物理量を
   電気信号に変換するトルク検出手段を配設し、前記従動
   側フランジの外周円上に対峙する部分に固定部を設け、
   前記従動側フランジの外周円と前記固定部との間に半径
   方向に対峙する一組のロータリートランスを設け、前記
   ロータリートランスには従動側の第一の開口部と固定部
   側の第二の開口部が対峙するように形成し、前記第一の
   開口部内にはトルク検出手段の出力に応じて発光する、
   少なくとも一個の電気―光変換素子からなる光信号変換
   手段を設けるとともに、前記第二の開口部内には、前記
   光信号変換手段からの光を側面から受光するように設け
   た光ファイバーからなる光伝送手段を設けるとともに、
   前記光伝送手段から伝送された光を検出する光検出手段
   を具備したことを特徴とする回転体トルク計測装置。
2. 【請求項２】光検出手段は、前記光ファイバーの少なく
   とも1端面に設けた光―電気変換素子よりなり、従動側
   フランジに対峙して設けた従動側ロータリートランスと
   対をなす固定側ロータリートランスの開口部内に、前記
   光信号変換手段からの光を受光するように設けた光ファ
   イバーからなる光伝送手段と共に設けたことを特徴とす
   る請求項１に記載の回転体トルク計測装置。
3. 【請求項３】回転体側ロータリートランスの開口部内に
   設けた光信号変換手段と、それに対峙する固定側ロータ
   リートランスの開口部内に設けた光伝送手段と光検出手
   段は、回転体側および固定側のロータリートランスが対
   峙する面を各々超えないように配設したことを特徴とす
   る請求項１または２に記載の回転体トルク計測装置。
4. 【請求項４】固定側ロータリートランスの開口部内に設
   けた光伝送手段と光検出手段は可視光遮断フィルタで覆
   われていることを特徴とする請求項１から３の何れかに
   記載の回転体トルク計測装置。
5. 【請求項５】光伝送手段は、従動側フランジに対峙して
   設けた従動側ロータリートランスと対をなす固定側のロ
   ータリートランスの開口部内に少なくとも一周に亘って
   内蔵されていることを特徴とする請求項１から４の何れ
   かに記載の回転体トルク計測装置。
6. 【請求項６】駆動側フランジ部と従動側フランジ部の間
   の外壁を鼓型の形状に溝加工した底部を有する中空円筒
   部を設け、該中空円筒部の前記溝の底部に対応する円筒
   部の内周の円周上に前記中空円筒部における鼓型形状の
   溝の頂点に集中して作用するトルクに応じた物理量を電
   気信号に変換するトルク検出手段を装備し、前記従動側
   フランジの外周円上に対峙する部分に固定部を設け、前
   記従動側フランジの外周円と前記固定部との間に半径方
   向に対峙する一組のロータリートランスを設け、前記ロ
   ータリートランスには従動側の第一の開口部と固定部側
   の第二の開口部が対峙するように形成し、前記トルク検
   出手段から得た電気信号を電圧の大きさに応じて周波数
   の高低に変換する電圧周波数変換器により周波数変調さ
   れて発光する、少なくとも一個の電気―光変換素子から
   なる電気―光信号変換手段で光信号に変換して固定側に
   伝送し、回転体側から伝送された光信号を前記従動側フ
   ランジに対峙して設けられた固定側のロータリートラン
   スの開口部に設けられた光ファイバーの側面から入射し
   て電気信号に変換した後に、所定の波形整形を施してか
   ら周波数変調されている信号を復調して、所定の回路で
   アナログ信号として取り出すことでトルクを測定する方
   法。